(57)【要約】      （修正有）【課題】  燃料電池の出力を安定させる。【解決手段】  燃料電池１００において、セパレータ３４の燃料極側ガス流路３８を、セル５０を介してセパレータ３６の平坦面に対向させる。また、セパレータ３６の空気極側ガス流路４０を、セル５０を介してセパレータ３４の平坦面に対向させる。【選択図】    図１
2005135708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質および該電解質の両面に配設された一対の電極を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する第一のセパレータおよび第二のセパレータと、を有し、
前記第一のセパレータには、前記膜電極接合体との当接面に対し凹状に形成された複数の凹部からなる第一の流路が設けられ、
前記第二のセパレータには、前記膜電極接合体との当接面に対し凹状に形成された複数の凹部からなる第二の流路が設けられ、
前記第一のセパレータの前記凹部が、前記膜電極接合体を介して前記第二のセパレータの前記当接面に対向し、
前記第二のセパレータの前記凹部が、前記膜電極接合体を介して前記第一のセパレータの前記当接面に対向していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、前記第一の流路を構成する複数の前記凹部および前記第二の流路を構成する複数の前記凹部は、一方向に延在して互いに平行に設けられたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、前記第一の流路を構成する複数の前記凹部および前記第二の流路を構成する複数の前記凹部がそれぞれ略同一の断面形状を有し、それぞれが一定の間隔で形成されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、前記第一の流路の間隔と前記第二の流路の間隔が異なることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池において、前記第一の流路を構成する前記凹部の深さが、前記第一の流路を構成する前記凹部の幅以上であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した膜電極接合体（以下、ＭＥＡとも呼ぶ。）を基本構造とし、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-（１）
空気極：１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ（２）
【０００４】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００５】
また、燃料極および空気極の外側にセパレータが設けられる。燃料極側のセパレータには燃料ガス流路が設けられており、燃料極に燃料ガスが供給される。同様に、空気極側のセパレータにも酸化剤ガス流路が設けられ、空気極に酸化剤ガスが供給される。また、これらのセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水の流路が設けられる。
【０００６】
ここで、燃料電池を家庭に普及させるためには、小型、軽量でかつ出力特性および安定性が高いことが求められる。そこで、セパレータを介してこのような燃料電池を積層した燃料電池スタックについて検討がなされている（特許文献１）。特許文献１には、セパレータに形成される流路の平面配置を工夫することにより、燃料電池の特性を向上させることが記載されている。ところが、従来の燃料電池スタックでは、安定的な出力の発揮の観点において改良の余地があった。
【特許文献１】特開２００１−５７２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の出力を安定させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、燃料電池の出力を安定的に発揮させるという観点から鋭意検討を重ねた。その結果、燃料電池のセパレータの表面に形成された流路の深さ方向に向かってＭＥＡがはみ出すことにより、流路の延在方向に垂直な断面積の大きさが流路間でばらつくという現象を見出した。この現象について、図９〜図１１を参照して説明する。
【０００９】
図９〜図１１は、ＭＥＡの両面を２枚のセパレータで挟持した様子を模式的に示す断面図である。図９において、ＭＥＡ６０には、第一のセパレータ６２および第二のセパレータ６４の両側から圧力が印加される。ここで、第一のセパレータ６２において、流路６６が形成された領域では、圧力から解放されている。このため、流路６６が形成された領域では、ＭＥＡ６０に図中上方向からの圧力が印加されておらず、ＭＥＡ６０が図中上方向にはみ出し、流路６６中にＭＥＡの侵出部６８が形成される。そして、侵出部６８の大きさが流路６６ごとにばらつくと、流路６６の断面積にばらつきが生じる。侵出部６８の断面積が大きいほど、反応ガスの供給に有効な流路６６の断面積が減少するため、流路抵抗が大きくなり、反応ガスが流れにくく、反応ガスの安定的な供給が困難となることが見出された。
【００１０】
ここで、特許文献１の従来技術の項には、図８に示したように、単セルの両面に設けられた２枚のセパレータのそれぞれに等間隔の流路が形成され、流路同士が対向して配置された構成の燃料電池が記載されている（特許文献１、図８）。ところが、本発明者が検討した結果、このように、２枚のセパレータの流路の間隔が等しく、流路同士が対向して配置されている場合、電極の突出する度合いが大きいため、断面積のばらつきが生じやすかった。
【００１１】
一方、燃料ガスおよび空気のそれぞれを所望の流量で供給する方法として、２枚のセパレータの流路の間隔を異ならせることも考えられる。ところが、流路の間隔が燃料ガス側と空気側とで異なる場合、通常の設計では、一方のセパレータに形成された流路が、図１０に示したように、他方のセパレータの流路に対向する場合、図９に示したように、他方のセパレータの流路以外の領域に対向する場合、および、図１１に示したように、他方のセパレータの流路の一部に対向する場合とが生じる。このため、流路を被覆する電極に加わる圧力にばらつきが生じやすく、電極の突出の度合いにばらつきが生じていた。したがって、この場合にも、断面積のばらつきが生じやすかった。
【００１２】
また、本発明者が検討した結果、以上のように、セパレータに設けられた流路の断面積にばらつきが生じると、ＭＥＡの全面に燃料ガスまたは空気を安定的に供給することができず、燃料電池の出力の安定化を妨げることがわかった。そこで、本発明者は、流路の断面積にばらつきが生じることを抑制すべく検討を行い、本発明に至った。
【００１３】
本発明によれば、電解質および該電解質の両面に配設された一対の電極を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する第一のセパレータおよび第二のセパレータと、を有し、前記第一のセパレータには、前記膜電極接合体との当接面に対し凹状に形成された複数の凹部からなる第一の流路が設けられ、前記第二のセパレータには、前記膜電極接合体との当接面に対し凹状に形成された複数の凹部からなる第二の流路が設けられ、前記第一のセパレータの前記凹部が、前記膜電極接合体を介して前記第二のセパレータの前記当接面に対向し、前記第二のセパレータの前記凹部が、前記膜電極接合体を介して前記第一のセパレータの前記当接面に対向していることを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１４】
本発明の燃料電池は、膜電極接合体が、これに当接して設けられた第一のセパレータおよび第二のセパレータにより挟持された構成となっている。そして、第一のセパレータの凹部が第二のセパレータの当接面に対向し第二のセパレータの凹部が、第一のセパレータの当接面に対向した構成である。第一のセパレータに設けられた凹部と第二のセパレータに設けられた凹部とが対向しない構成となっている。このため、膜電極接合体が凹部にはみ出す度合いにばらつきが生じることが抑制される。よって、流路の断面積が膜電解質接合体の侵入によりばらつくことを好適に抑制できる。したがって、第一の流路および第二の流路中を移動する流体の流量のばらつきを抑制することができる。このため、燃料電池を安定的に運転することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池において、前記第一の流路を構成する複数の前記凹部および前記第二の流路を構成する複数の前記凹部は、一方向に延在して互いに平行に設けられた構成とすることができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池において、前記第一のセパレータおよび前記第二のセパレータは、それぞれ、互いに平行な複数の凹部からなる直線流路を有してもよい。
【００１７】
流路が直線の場合、電極の突出により生じる流路の断面積のばらつきによって流路間でガス供給量にぶれが生じやすかった。特許文献１に記載の燃料電池のように、流路に角部が存在する場合、角部と直線領域とでは流路の断面積が異なるため、膜電極接合体が侵出することによる流路の断面積のばらつきの寄与が比較的小さい。これに対し、一方向に延在する直線流路の場合には、膜電極接合体がはみ出すことによる流路の断面積のばらつきの影響が、流路中を移動する流体の供給量に顕著な影響を与える。
【００１８】
本発明の構成によれば、第一の流路が他のセパレータの流路以外の平面に対向する構成である。このため、流路が直線である場合に、流路の断面積のばらつきを好適に抑制することができる。このため、膜電極接合体の全面に流体を安定的に供給することができる。よって、燃料電池の出力を安定的に発揮させることができる。
【００１９】
本発明の燃料電池において、前記第一の流路を構成する複数の前記凹部および前記第二の流路を構成する複数の前記凹部がそれぞれ略同一の断面形状を有し、それぞれが一定の間隔で形成されてもよい。こうすることにより、膜電極接合体の全面に、所望の量の流体を安定的に供給することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池において、前記第一の流路の間隔と前記第二の流路の間隔が異なる構成とすることができる。こうすることにより、第一のセパレータおよび第二のセパレータのそれぞれの側にある電極に、それぞれ所望の量の流体を安定的に供給することができる。このため、燃料電池の出力特性をさらに向上させることができる。
【００２１】
本発明の燃料電池において、前記第一の流路を構成する前記凹部の深さが、前記第一の流路を構成する前記凹部の幅以上であってもよい。こうすることにより、第一の流路の深さ方向における電極のはみ出しの割合を低減させることができる。このため、電極がはみ出すことによる流路の断面積の減少を好適に抑制することができる。よって、燃料電池の出力をさらに安定化することができる。
【００２２】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置の間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように本発明によれば、燃料電池の出力を安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。まず、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池について説明する。なお、本明細書において、燃料ガスと酸化剤ガスをあわせて適宜「反応ガス」と呼ぶ。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池１００の断面構造を模式的に示す図である。燃料電池１００は平板状のセル５０を備え、このセル５０の両側にはセパレータ３４およびセパレータ３６が設けられる。この例では一つのセル５０のみを示すが、セパレータ３４やセパレータ３６を介して複数のセル５０を積層して、燃料電池１００が構成されてもよい。セル５０は、固体高分子電解質膜２０、燃料極２２および空気極２４とを有する。セル５０は、図９のＭＥＡ６０に相当する。燃料極２２および空気極２４を「ガス拡散電極」と呼んでもよい。燃料極２２は、積層した触媒層２６およびガス拡散層２８を有し、同様に空気極２４も、積層した触媒層３０およびガス拡散層３２を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられる。
【００２６】
燃料極２２側に設けられるセパレータ３４には燃料極に対向する一方の面に燃料極側ガス流路３８が設けられており、この燃料極側ガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極２４側に設けられるセパレータ３６にも空気極側ガス流路４０が設けられ、この空気極側ガス流路４０を通じてセル５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池１００の運転時、燃料極側ガス流路３８から燃料極２２に燃料ガス、例えば水素ガスが供給され、空気極側ガス流路４０から空気極２４に酸化剤ガス、例えば空気が供給される。ここで、燃料極側ガス流路３８は、セパレータ３６の空気極側ガス流路４０の形成されていない領域に対向し、空気極側ガス流路４０は、セパレータ３４の燃料極側ガス流路３８の形成されていない領域に対向している。
【００２７】
これにより、セル５０内で発電反応が生じる。ガス拡散層２８を介して触媒層２６に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜２０中を空気極２４側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路から空気極２４に流れ込む。一方、ガス拡散層３２を介して触媒層３０に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においては燃料極２２から空気極２４に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。なお、セパレータ３４の他方の面には、冷却水流路が設けられている。
【００２８】
図２は、燃料電池１００を構成するセパレータ３４、セル５０、およびセパレータ３６の分解斜視図である。図１は、図２のＡ−Ａ’断面図に対応する。
【００２９】
図２において、セパレータ３６の表面は平滑面となっている。また、セパレータ３６の裏面には、図中に点線で示したように、互いに平行な複数の空気極側ガス流路４０が形成されている。空気極側ガス流路４０は空気供給用第２マニホールド１５５および空気排出用第２マニホールド１５７に連通する。空気供給用第２マニホールド１５５は、空気供給用第１マニホールド１６７に連通し、空気排出用第２マニホールド１５７は、空気排出用第１マニホールド１６９に連通している。外部から空気供給用第１マニホールド１６７に供給される空気は、空気供給用第２マニホールド１５５を経由して空気極側ガス流路４０中を移動し、空気排出用第２マニホールド１５７を経由して空気排出用第１マニホールド１６９から外部に排出される。
【００３０】
セパレータ３４の表面には、互いに平行な複数の燃料極側ガス流路３８が形成されている。燃料極側ガス流路３８は燃料供給用第２マニホールド１１５および燃料排出用第２マニホールド１１７に連通する。燃料供給用第２マニホールド１１５は、燃料供給用第１マニホールド１０７に連通し、燃料排出用第２マニホールド１１７は、燃料排出用第１マニホールド１０９に連通している。外部から燃料供給用第１マニホールド１０７に供給される燃料は、燃料供給用第２マニホールド１１５を経由して燃料極側ガス流路３８中を移動し、燃料排出用第２マニホールド１１７を経由して燃料排出用第１マニホールド１０９から外部に排出される。また、図示していないが、セパレータ３４の裏面には、冷却水供給用第１マニホールド１１１および冷却水排出用第１マニホールド１１３に連通する冷却水流路が形成されている。
【００３１】
図２に例示したように、セパレータ３４またはセパレータ３６の形状は、たとえば矩形とすることができる。また、複数の燃料極側ガス流路３８または空気極側ガス流路４０は、たとえば、セパレータ３４またはセパレータ３６の矩形の領域内に、互いに平行に設けられていてもよい。
【００３２】
燃料極側ガス流路３８または空気極側ガス流路４０が形成された矩形の辺の比は、短手方向対長手方向がたとえば１対２〜１対６程度とすることができる。この理由は以下の通りである。限られたセパレータの大きさの中で、セパレータに供給される燃料ガスを効率よく反応に寄与させるためには、流路数を少なくし、流路を流れる燃料ガスの流速を大きくすることが好ましい。また、燃料ガスや空気は通常加湿されてセパレータに供給されるため、流路内に滞留する凝縮水を吹き飛ばし、排出する効果という観点では、流速が大きいことが好ましい。以上をふまえて本発明者が検討した結果、上述の辺の比とすることにより、発電効率の高い燃料電池が実現できることが明らかになった。
【００３３】
セパレータ３４の燃料極側ガス流路３８は、セル５０を介してセパレータ３６の平坦面に対向している。同様に、セパレータ３６の空気極側ガス流路４０は、セル５０を介してセパレータ３４の平坦面に対向している。このため、燃料極側ガス流路３８と空気極側ガス流路４０とが対向しないようにセパレータ３４およびセパレータ３６が構成されている。このような構成とすることにより、燃料極側ガス流路３８または空気極側ガス流路４０において、セル５０が流路側に突出することによる流路の断面積のぶれを好適に抑制することができる。このため、水素ガスまたは空気の供給量の流路間のぶれを抑制することができる。よって、セル５０全体に安定的に水素ガスまたは空気を供給することができる。したがって、燃料電池を安定的に運転させることができる。
【００３４】
なお、従来の燃料電池では、前述した図８のように、単セル６の両側に設けられるガス流路１０とガス流路１１とを、対向させた配置とする構成が通常採用されてきた。また、ガス流路１０とガス流路１１とを対向させない構成とするという発想に基づいた構成となっていなかった。
【００３５】
一方、本実施形態においては、燃料極側のガス流路と空気極側のガス流路とを対向させない構成とするという発想に基づき、セパレータ３４とセパレータ３６のうちの一方に形成された流路を互いに他方の当接面に対向させる構成とすることにより、流路同士が対向せず、流路が平坦な面と対向する構成となる。このため、セル５０が燃料極側ガス流路３８または空気極側ガス流路４０に落ち込む度合いが均一化されるため、流路ごとの圧力損失を均一化することができる。よって、流路ごとの反応ガスの分配を均一化することができる。したがって、燃料電池の出力を安定的に発揮させることができる。
【００３６】
図３〜図６は、セパレータ３４とセパレータ３６との組み合わせに関する構成例を示す図である。これらの図は、流路の延在方向に垂直な断面を示す図である。図３〜図６では、燃料極側ガス流路３８と空気極側ガス流路４０との配置を説明するため、セパレータ３４とセパレータ３６との間に設けられるセル５０は省略して示している。
【００３７】
図３〜図６において、Ａはセパレータ３６の流路形成領域の幅を示す。Ｂは、セパレータ３４の流路形成領域の幅を示す。Ｃは、空気極側ガス流路４０の幅を示す。Ｄは、空気極側ガス流路４０の間隔を示す。Ｅは、燃料極側ガス流路３８の幅を示す。Ｆは、燃料極側ガス流路３８の間隔を示す。Ｇは、空気極側ガス流路４０の深さを示す。Ｈは、燃料極側ガス流路３８の深さを示す。
【００３８】
ＡおよびＢの値は、セル５０の大きさおよび流路の本数に応じて適宜選択することができる。たとえば、セルの反応面積を１００ｃｍ2とした場合、４０ｍｍ以上７０ｍｍ以下とすることができる。こうすることにより、燃料極側ガス流路３８または空気極側ガス流路４０が矩形の領域に形成される際に、矩形の短手方向の長さと長手方向の長さの比を１対２〜１対６とすることができる。空気極側ガス流路４０の幅Ｃおよび燃料極側ガス流路３８の幅Ｅは、セル５０の大きさやガスの流量に応じて適宜設定することができる。たとえば、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることができる。
【００３９】
空気極側ガス流路４０の間隔Ｄおよび燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆの値は、燃料極側ガス流路３８および空気極側ガス流路４０が互いに相手のセパレータの当接面に対向するような値とする。
【００４０】
また、（空気極側ガス流路４０の幅Ｃ＋空気極側ガス流路４０の間隔Ｄ）と（燃料極側ガス流路３８の幅Ｅ＋燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆ）との比は、１対１〜１対５程度とすることができる。また、これらの比は、１対２〜２対３程度としてもよい。このような範囲とすることにより、燃料ガスおよび空気をセル５０全体に安定的に供給することができる。
【００４１】
また、燃料極側ガス流路３８の深さＨが燃料極側ガス流路３８の幅Ｅ以上である形状とすることができる。たとえば、図４では、燃料極側ガス流路３８の深さＨが燃料極側ガス流路３８の幅Ｅに等しい構成となっている。このようにすれば、燃料極側ガス流路３８の深さ方向へのセル５０の侵入による燃料極側ガス流路３８の断面積のばらつきを抑制することができる。このため、供給される燃料ガスが燃料極側ガス流路３８間でばらつくのを好適に抑制することができる。同様に、空気極側ガス流路４０の深さＧが空気極側ガス流路４０の幅Ｃよりも大きい構成とすることができる。
【００４２】
また、燃料極側ガス流路３８の深さＨを燃料極側ガス流路３８の幅Ｅの２倍以下とすることができる。こうすることにより、セパレータ３４の厚さが過度に増加しないようにすることができる。このため、燃料電池スタックを小型化、軽量化することができる。また、空気極側ガス流路４０についても、空気極側ガス流路４０の深さＧを空気極側ガス流路４０の幅Ｃの２倍以下とすることができる。
【００４３】
なお、燃料極側ガス流路３８の深さＨが、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅよりも小さい形状である場合、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅを燃料極側ガス流路３８の深さＨの２倍以下とすることが好ましい。こうすることにより、燃料極側ガス流路３８の断面の水滴接触部の周囲長さを短くすることができる。このため、燃料極側ガス流路３８中に凝縮水の水滴が生じた際に、水滴の動き始める圧力を小さくすることができる。よって、凝縮水が燃料極側ガス流路３８に滞留することによって反応ガスの供給に妨げが生じることを抑制し、セル５０全面に燃料ガスを安定的に供給することができる。また、空気極側ガス流路４０についても、空気極側ガス流路４０の幅Ｃを空気極側ガス流路４０の深さＧの２倍以下とすることが好ましい。
【００４４】
セパレータ３４およびセパレータ３６の厚さは、たとえば２ｍｍ以下とすることができる。こうすることにより、セル５０、燃料極側ガス流路３８、および空気極側ガス流路４０を積層して燃料電池スタックとした際の、燃料電池スタック全体を小型化、軽量化することができる。また、セパレータ３４およびセパレータ３６の厚さは、たとえば１ｍｍ以上とすることができる。こうすることにより、セパレータの強度を充分に確保することができる。
【００４５】
図３〜図６に示したセパレータ３４またはセパレータ３６は、いずれも、燃料極側ガス流路３８の断面形状または空気極側ガス流路４０の断面形状も略等しい構成となっている。このように、一枚のセパレータ中の複数の断面形状が略等しい構成とすることにより、ガスの供給量に変動が生じるのを抑制し、セル５０の全面にガスを安定的に供給することができる。このため、燃料電池を安定的に運転させることができる。
【００４６】
図３に示したセパレータ３４およびセパレータ３６の組み合わせでは、（空気極側ガス流路４０の幅Ｃ＋空気極側ガス流路４０の間隔Ｄ）と（燃料極側ガス流路３８の幅Ｅ＋燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆ）との比が１対２となっている。また、空気極側ガス流路４０の幅Ｃと空気極側ガス流路４０の深さＧとの比が６対５となっている。また、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅと燃料極側ガス流路３８の深さＨとの比が５対３となっている。また、空気極側ガス流路４０の幅Ｃと空気極側ガス流路４０の間隔Ｄとの比が６対１１であり、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅと燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆとの比が５対２９となっている。
【００４７】
図４に示したセパレータ３４およびセパレータ３６の組み合わせでは、（空気極側ガス流路４０の幅Ｃ＋空気極側ガス流路４０の間隔Ｄ）と（燃料極側ガス流路３８の幅Ｅ＋燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆ）との比が１対５となっている。また、空気極側ガス流路４０の幅Ｃと空気極側ガス流路４０の深さＧとの比が１対１となっている。また、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅと燃料極側ガス流路３８の深さＨとの比が１対１となっている。また、空気極側ガス流路４０の幅Ｃと空気極側ガス流路４０の間隔Ｄとの比が３対５であり、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅと燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆとの比が３対３７となっている。
【００４８】
図５に示したセパレータ３４およびセパレータ３６の組み合わせでは、（空気極側ガス流路４０の幅Ｃ＋空気極側ガス流路４０の間隔Ｄ）と（燃料極側ガス流路３８の幅Ｅ＋燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆ）との比が２対３となっている。また、空気極側ガス流路４０の幅Ｃと空気極側ガス流路４０の深さＧとの比が１対１となっている。また、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅと燃料極側ガス流路３８の深さＨとの比が５対３となっている。また、空気極側ガス流路４０の幅Ｃと空気極側ガス流路４０の間隔Ｄとの比が５対１９であり、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅと燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆとの比が５対３１となっている。
【００４９】
また、図６に示したセパレータ３４およびセパレータ３６の組み合わせでは、（空気極側ガス流路４０の幅Ｃ＋空気極側ガス流路４０の間隔Ｄ）と（燃料極側ガス流路３８の幅Ｅ＋燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆ）との比が１対１となっている。燃料極側ガス流路３８と空気極側ガス流路４０とが等ピッチで形成されているため、燃料極２２と空気極２４における拡散分極を等しくすることができる。また、空気極側ガス流路４０の幅Ｃと空気極側ガス流路４０の深さＧとの比が１対１となっている。また、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅと燃料極側ガス流路３８の深さＨとの比が５対３となっている。また、空気極側ガス流路４０の幅Ｃと空気極側ガス流路４０の間隔Ｄとの比が５対２０であり、燃料極側ガス流路３８の幅Ｅと燃料極側ガス流路３８の間隔Ｆとの比も５対２０となっている。
【００５０】
このように、図３〜図６では、複数の燃料極側ガス流路３８が等間隔で形成されている。また、空気極側ガス流路４０も等間隔で形成されている。こうすることにより、燃料極側ガス流路３８と空気極側ガス流路４０とが直接対向しない構成を容易に実現することが可能となる。このため、流路の断面積の大きさのばらつきを確実に抑制することができる。
【００５１】
また、図３〜図５では、燃料極側ガス流路３８の間隔と空気極側ガス流路４０の間隔とが異なる構成となっている。こうすることにより、燃料ガスおよび空気の供給量がそれぞれについて好適になるように調節することができる。燃料極側ガス流路３８と空気極側ガス流路４０の間隔が異なる場合、従来の燃料電池においては、燃料極側ガス流路３８と空気極側ガス流路４０とがセル５０を介して対向する領域、燃料極側ガス流路３８が空気極側ガス流路４０に対向しない領域、および燃料極側ガス流路３８が空気極側ガス流路４０の一部と対向する領域が混在していた。これに対し、図３〜図５の燃料電池では、燃料極側ガス流路３８が空気極側ガス流路４０に対向しない構成となっているため、流路の断面積の大きさのばらつきを確実に抑制することができる。なお、空気極側ガス流路４０についても、同様に燃料極側ガス流路３８に対向しないように構成されている。
【００５２】
次に、セパレータ３４およびセパレータ３６の製造方法について、セパレータ３４の場合を例に説明する。セパレータ３６についても、同様にして作製することができる。図７は、燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための図である。
【００５３】
セパレータ３４およびセパレータ３６は、カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との混合物から成形することができる。このとき、樹脂粉末が結着剤となるため、成形が容易であり、安価なプレートが得られる。カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との配合比は、たとえば重量比で１：１〜１９：１程度とすることができる。
【００５４】
図７（Ａ）はセパレータ３４の製造工程を示す図である。また、図７（Ｂ）はその製造の様子を説明する説明図である。図７（Ａ）に示されるように、まず、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂とを均一に混合し調整して所定のコンパウンドを作成する（Ｓ１００）。ついで、このコンパウンドに２〜１０ＭＰａの範囲の面圧を加えて、予め最終成形形状に近似する形状に冷間成形する（Ｓ１０１）。続いて、その予備成形体を図７（Ｂ）に示すように、所定の最終形状を持つ金型２６５内に充填する（Ｓ１０２）。この状態で、金型２６５を１５０〜１７０℃に加熱昇温するとともに、プレス（不図示）を動作させる。このとき、図７（Ｂ）に示されるように、矢印ｆ方向から１０〜１００ＭＰａ、好ましくは、２０〜５０ＭＰａの範囲の面圧を加えることにより（Ｓ１０３）、金型２６５の形状に応じた最終形状のセパレータ３４が製造される（Ｓ１０４）。
【００５５】
このようにして製造されるセパレータ３４においては、コンパウンドを最終形状に近似する形状に予備成形した上、その予備成形体を金型２６５に充填し１５０〜１７０℃に加熱昇温しながら、１０〜１００ＭＰａ（好ましくは、２０〜５０ＭＰａ）の高い成形面圧を加えることで、熱硬化性樹脂が溶解するとともに熱硬化反応が起こり、成形体密度が大きい所定形状のセパレータ３４に均質に成形することができる。
【００５６】
なお、得られたセパレータ３４には、燃料の供給および排出を行うための燃料供給口（不図示）および燃焼排出口（不図示）を形成してもよい。また、流路形成領域の外周に、シール部材（不図示）を設けてもよい。こうすれば、燃料電池スタックを形成する際にセパレータ同士の密着性を確保することができる。このため、燃料ガスの漏出を防止し、燃料極側ガス流路３８から確実に燃料ガスをセル５０に供給することができる。
【００５７】
図１にもどり、セル５０を構成する固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、燃料極２２および空気極２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。
【００５８】
燃料極２２における触媒層２６および空気極２４における触媒層３０は、多孔膜であり、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成されるのが好ましい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種を混合したものなどがある。触媒層２６と触媒層３０には同じ物質を用いてもよいし、異なる物質を用いてもよい。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどがある。
【００５９】
イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。
【００６０】
燃料極２２におけるガス拡散層２８および空気極２４におけるガス拡散層３２は、供給される水素ガスまたは空気を触媒層２６および触媒層３０に供給する機能をもつ。また発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガスなどを外部に放出する機能ももつ。ガス拡散層２８およびガス拡散層３２は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどで構成される。
【００６１】
次に、セル５０の作製方法の一例を示す。まず、燃料極２２および空気極２４を作製するべく、白金などの触媒金属を、例えば含浸法やコロイド法を用いて触媒担持用炭素粒子に担持させる。こうして得られた触媒担持用炭素粒子と触媒金属との複合体を、触媒担持粒子と呼ぶ。
【００６２】
こうして得られた触媒担持粒子とイオン交換樹脂とを溶媒に分散させて触媒インクを生成する。ガス拡散層となる材料、たとえばカーボンペーパーに、得られた触媒インクを塗布して加熱、乾燥させることにより、燃料極２２および空気極２４を作製する。塗布方法は、例えば刷毛塗り、スプレー塗布、スクリーン印刷、ドクターブレード塗布、転写の技術を用いてもよい。
【００６３】
続いて、固体高分子電解質膜２０を、燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０とで挟み、ホットプレスして接合する。これにより、セル５０が作製される。固体高分子電解質膜２０や、触媒層２６および触媒層３０におけるイオン交換樹脂を軟化点やガラス転移のある高分子材料で構成する場合、軟化温度やガラス転移温度を超える温度でホットプレスを行うことが好ましい。
【００６４】
セル５０の別の作製方法として、以下の例があげられる。触媒インクを直接、固体高分子電解質膜２０に塗布して加熱、乾燥させることにより、触媒層２６および触媒層３０を形成してもよく、塗布方法としては例えばスプレー塗布などの技術を用いてもよい。この触媒層２６および触媒層３０の外側にガス拡散層２８およびガス拡散層３２を配設し、ホットプレスを行うことでセル５０を作製してもよい。セル５０のさらに別の作製方法として、触媒インクをテフロン（登録商標）シートなどの上に塗布して加熱、乾燥させることにより、触媒層２６および触媒層３０を形成してもよく、塗布方法としては例えばスプレー塗布やスクリーン印刷などの技術を用いてもよい。続いて、テフロンシート上に形成した触媒層２６および触媒層３０を固体高分子電解質膜２０に対向させることで挟み、ホットプレスして接合する。その後テフロンシートを剥離し、触媒層２６および触媒層３０の外側にガス拡散層２８およびガス拡散層３２を配設してもよい。
【００６５】
以上、本発明を実施形態に基づき説明した。これらの実施形態は例示であり様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００６６】
たとえば、以上においては、燃料極２２および空気極２４のガス拡散層２８およびガス拡散層３２がそれぞれセパレータ３４およびセパレータ３６に当接する構成としたが、ガス拡散層２８とセパレータ３４との間またはガス拡散層３２とセパレータ３６との間に、他の層が設けられていてもよい。
【００６７】
また、以上においては、燃料極に燃料ガスが供給される燃料電池の場合を例に説明したが、メタノール等の液体燃料が直接投入されるタイプの燃料電池（ＤＭＦＣ）の場合にも、以上の実施形態で説明した構成を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】実施の形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る燃料電池を構成するセパレータおよびセルの構成を模式的に示す分解斜視図である。
【図３】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す断面図である。
【図５】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す断面図である。
【図６】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す断面図である。
【図７】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明する図である。
【図８】従来の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】ＭＥＡの両面を２枚のセパレータで挟持した様子を模式的に示す断面図である。
【図１０】ＭＥＡの両面を２枚のセパレータで挟持した様子を模式的に示す断面図である。
【図１１】ＭＥＡの両面を２枚のセパレータで挟持した様子を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
２０  固体高分子電解質膜、  ２２  燃料極、  ２４  空気極、  ２６  触媒層、  ２８  ガス拡散層、  ３０  触媒層、  ３２  ガス拡散層、  ３４  セパレータ、  ３６  セパレータ、  ３８  燃料極側ガス流路、  ４０  空気極側ガス流路、  ５０  セル、  ６０  ＭＥＡ、  ６２  第一のセパレータ、  ６４  第二のセパレータ、  ６６  流路、  ６８  侵出部、  １００  燃料電池、  １０７  燃料供給用第１マニホールド、  １０９  燃料排出用第１マニホールド、  １１１  冷却水供給用第１マニホールド、  １１３  冷却水排出用第１マニホールド、  １１５  燃料供給用第２マニホールド、  １１７  燃料排出用第２マニホールド、  １５５  空気供給用第２マニホールド、  １５７  空気排出用第２マニホールド、  １６７  空気供給用第１マニホールド、  １６９  空気排出用第１マニホールド、  ２６５  金型。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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